Implementação de software ISO

Em geral, eu chamaria este artigo de “fraude ISO de software ou hardware?”

Pegamos e desenhamos iso programaticamente. A magia especial do ADC

Pegamos e desenhamos iso programaticamente. A magia especial do ADC

A matriz da câmera é um dispositivo complexo. A matriz lê a luz (radiação do espectro visível), que é projetada sobre ela pela lente. O diafragma serve como um dosador de luz e excerto. Mas a exposição geral do quadro também é afetada pelo valor ISO, que muitas vezes é perdido no par obturador-abertura.

Como o tempo aumenta ou diminui trechos – podem ser expressos em segundos e suas frações. A abertura aberta ou fechada pode ser expressa como uma razão entre o diâmetro e a distância focal. De qualquer forma, mude trechos e os diafragmas podem ser vistos, ouvidos - em outras palavras, eles são visíveis a olho nu. E aqui está a mudança ISO é mágica na câmera. Como os fótons se transformam em sinais elétricos, como os sinais são digitalizados e transformados em bits, Jpeg e Raw bytes, mortais comuns nunca viram.

Em geral, há uma opinião de que a matriz da câmera funciona da seguinte forma: fótons (luz que passou pela lente) caem no sensor. Os fótons eliminam elétrons em cada um dos subpixels da matriz, a tensão nas células aumenta com o número de elétrons. A tensão é medida usando um conversor analógico-digital (ADC), que converte um sinal de tensão analógico em uma sequência digital de uns e zeros. Além disso, o processador central pega a sequência digital e codifica a imagem finalizada dos dados. A codificação refere-se à enorme quantidade de computação que, em última análise, produz um arquivo de imagem JPEG e/ou RAW. Depois disso, o arquivo é gravado no cartão de memória. A CPU pode não processar muito os dados, mas simplesmente gravá-los no formato RAW bruto (não processado). Na verdade, RAW são os dados após o trabalho do ADC.

A questão é: onde em toda essa sequência a ISO muda e, de fato, a que ela deve estar vinculada? Em geral, eles dizem que o ISO é responsável por amplificar o nível do sinal de leitura para ler as informações da matriz. Quanto mais forte o estresse, maior a probabilidade de obter dados imprecisos e, na imagem, isso será expresso como ruído - mas esse pode não ser o caso. A segunda versão é que não há amplificação de tensão, e o ADC simplesmente multiplica o sinal lido por algum coeficiente, que é tomado como ISO.

Estou mais inclinado para a segunda opção, pelo menos para matrizes do tipo CCD com base no experimento abaixo.

A primeira foto foi tirada com exposição normal em ISO 100, 1/10s. Para obter a mesma exposição em ISO 1600 com a mesma abertura, você precisa reduzir a velocidade do obturador em 16 vezes, ou seja, excerto na ISO 1600 será 1/160. Exposição para ISO 100, F2.0, 1/10s e ISO 1600, F2.0, 1/160 será o mesmo.

Foto normal, ISO 100, sem compensação de exposição

Foto normal, ISO 100, sem compensação de exposição

A segunda foto também foi tirada na ISO 100, mas com resistência 16 vezes menor que o normal - 1/160 e ampliação exposição 4 passos (outras configurações são automáticas). A terceira foto foi tirada na ISO 1600 e também com resistência 1 \ 160.

A mesma exposição e quase a mesma qualidade de foto em diferentes valores ISO e a mesma abertura e velocidade do obturador

o mesmo exposição e quase a mesma qualidade de foto em diferentes valores ISO e a mesma abertura e velocidade do obturador

A ideia é esta - o ADC não altera a tensão para ler o sinal da matriz, mas simplesmente multiplica o nível do sinal por um fator que depende do ISO. Se fotografarmos em RAW, então, em teoria, podemos fazer a mesma multiplicação de sinal ao fotografar em formato RAW, apenas a “multiplicação” pode ser realizada em um computador usando a correção exposição. Se você corrigir para ISO 100 em 4 pontos (o equivalente a alterar trechos ou ISO 16 vezes), então devemos obter a mesma imagem que a câmera tira em ISO 1600 com a mesma velocidade do obturador, o que, de fato, foi confirmado.

Recortes das duas fotos anteriores. Colheita 1 a 1. Qualidade 100%

Recortes das duas fotos anteriores. Colheita 1 a 1. Qualidade 100%

Depois de executar o experimento, a saída mostra que a hipótese está próxima da verdade, pois ambas as imagens (subexpostas melhoradas em ISO 100 e normais em ISO 1600) são quase idênticas (veja as dimensões 1:1 acima).

A conclusão sugere-se - quanto menor o ISO, melhor, já que a câmera não aumenta o ISO no hardware, mas apenas trapaceia no software ao converter para ADC. Exatamente, o software cheat ISO na direção de valores mais baixos é feito em algumas câmeras - você pode dar uma olhada no meu artigo sobre ISO Lo1.

Observe que tirei uma conclusão apenas com base na matriz CCD do meu Nikon D200. Mas a mesma coisa pode ser facilmente repetida com matrizes CMOS, por exemplo para Nikon D90. E em qualquer caso, a câmera fará tudo com mais precisão ao codificar uma imagem em ISOs altos do que "puxar" de RAW. Você pode conferir outro artigo interessante - puxando fotos - RAW VS JPEG.

Conclusão:

Muitas câmeras não possuem uma implementação de hardware para alterar o valor ISO, e a matriz fornece o melhor resultado apenas no valor ISO "nativo" mínimo. Portanto, fotografar com ISO baixo continua sendo a regra de ouro até hoje.

Obrigado pela atenção. Arcádia Shapoval.

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Comentários: 75, sobre o tema: Implementação de software de ISO

  • Alexander

    Tenho uma observação sobre este assunto.
    se a matriz funcionar no ISO máximo por um longo tempo, sua temperatura aumentará significativamente (um par de exposições de 30 segundos no ISO máximo é suficiente para um aquecimento perceptível) e no ISO mínimo quase não haverá aquecimento
    A saída para o ISO é responsável pela Matrix e não pelo processador
    (pelo menos em nikon d5200)

  • vencedor

    Sempre tive respeito por você. Mas neste caso, você é apenas um amador. Você não entende profundamente como o sinal é formado na fotomatriz e, mais importante, como o sinal é captado. Não se ofenda - seu conhecimento é amador, no nível de uma revista científica popular em tecnologia jovem. Você é um bom fotógrafo, mas não um engenheiro. Minha base é o Instituto de Engenharia de Rádio, Eletrônica e Automação de Moscou, Faculdade de RTS. Eu sou um engenheiro eletrônico. Em um artigo em uma folha não é realista descrever os princípios de operação e captação de sinal. Muito necessário, pelo menos, conhecimento básico. Agora as câmeras estão usando massivamente matrizes CMOS. Eles são fundamentalmente diferentes na formação e remoção do sinal das antigas matrizes CCD (dispositivos de carga acoplada). E você tentou descrever exatamente o CCD. Sim, e mesmo isso não deu muito certo. No D200, parece que ainda havia um CCD. Nada é dito sobre o que é a função trabalho e como ela se relaciona com a sensibilidade principal da matriz CCD. Não seria ruim explicar qual é o ruído térmico intrínseco da matriz e seu efeito no DD. Na verdade, a partir do nível normalizado de uma saída de elétrons aleatória (este é o ruído da matriz) e do elétron mais energético, após o qual já há perda de informação em branco, este é DD. Portanto, você não pode aquecer a matriz em LV, às vezes é até útil resfriar a câmera na geladeira em um recipiente hermético antes das filmagens noturnas. E como o ISO é formado, você diz o mínimo ... não sei o quão mais simples é .. Na própria matriz do mesmo CCD, geralmente existe uma massa de eletrodos de serviço para cada célula. Direi isso, de uma forma mais simples, é no CCD que a ISO não altera o PROGRAMA, mas sim o HARDWARE! Alterando o nível de remoção de informações úteis em relação ao nível de ruído para um determinado tipo de matriz, aplicando uma tensão de controle (não amplificando !!) a cada célula elementar. Isso é muito simplificado. E no CMOS, em geral, tudo com a remoção de informações é diferente, este é um grande tópico separado. Ainda assim, seus experimentos descritos acima não estão totalmente corretos. Especialmente o terceiro quadro - onde você aplicou +4EV, ele experimentou repetidamente. Sim, com +4EV, você acaba com a mesma exposição. Mas eles não foram até o fim, o que eu fiz há muito tempo. Jogue os dois últimos quadros no editor e amplie bastante as áreas mais escuras e veja quão diferente é a estrutura do ruído. Tudo ficará claro para você imediatamente. No D700, experimentei por um longo tempo em L1 (100). Aqui você está certo - é tudo programático. Mas o algoritmo que os engenheiros da Nikon usam não é claro. Isso é tudo especulação, especialmente se não houver educação. Não encontrei nenhuma informação de domínio público e só posso adivinhar. Mais uma vez sobre o D700. Realmente me frustra que esta câmera seja muito ruim em reproduzir a faixa de cores com pouca luz, mesmo em ISO200 nos tons médios mais escuros. Mesmo a barata D3100 renderiza melhor as cores (dezenas de experiências tristes), embora a D3100 tenha ruído cromático muito forte, enquanto a D700 não os possui! E no alto ISO 800-1600, a D700 se transforma em uma câmera em preto e branco ao fotografar à noite, infelizmente ... nas filmagens noturnas. E onde a D3100 já perde o componente de cor, resta apenas preto e branco, a D700 continua a transmitir transições de cores. Sem conhecer os algoritmos da Nikon, é difícil explicar.

    • Arkady Shapoval

      Obrigado pela informação. No artigo tenho uma ideia, uma experiência e conclusões. Este não é o dogma final, trate-o dessa maneira :)

      • vencedor

        Arkady, sempre leio suas opiniões de especialistas sobre células com atenção e respeito. Fui ensinado como estudante - Qualquer conclusão sobre o funcionamento do sistema só pode ser feita com base em um experimento e, o mais importante, na repetibilidade do resultado. Eu quero lhe fazer alguns desejos - você está realizando testes de teste sob condições padrão e sujeito a alguma iluminação padrão condicional. Mas sob tais condições, mesmo 3100 na presença da Nikkor 50mm 1.4 mostrará resultados muito bons. Na presença de tal vidro, mesmo 3xxx permitirá que você atire na tecelagem sem ruído ao entardecer. Eu gostaria que você mostrasse testes de câmera nas condições de contorno de uso - com luz de fundo (faixa dinâmica) e à noite (e também há DD! ruído !! e sua estrutura). E com um copo de 50-1.4 é muito difícil verificar algo para muitos em seu fórum. Eu uso D700 D3 D3100. Boa sorte!

      • Alexey

        Então, boyar, escreva para você, usando o exemplo do cânone, como funciona a mudança de ISO? Não em todos os detalhes, porque não posso por questões legais, mas um pouco mais do que a verdade? :)

        • Arkady Shapoval

          Escreva quem te proíbe. E não só a mim, mas a todos os interessados ​​neste tema. O conhecimento é leve, traga-o rapidamente!

          • Alexey

            Um pouco sobre como a câmera altera o valor ISO.

            Acho que muita gente sabe que para alterar o valor ISO, o processador da câmera altera o ganho dos amplificadores localizados entre a matriz e o ADC. Esta é a chamada alteração ISO analógica.
            Além disso, em alguns casos, o processador altera o valor ISO multiplicando ou dividindo os dados recebidos do ADC por determinados coeficientes. Esta é a chamada mudança de ISO digital.
            No entanto, na imprensa geral, há muito poucos dados precisos nos quais os valores ISO são usados ​​​​para este ou aquele método de alterá-lo. Tudo isso está em inúmeras patentes, mas sua baixa disponibilidade para um amplo círculo do público fotográfico não permite esclarecer essas informações.
            No entanto, sua importância não pode ser subestimada. Uma vez que ao aumentar o ISO de forma analógica, o ruído contido no sinal da matriz é amplificado (aumentado) em menor grau do que ao multiplicar diretamente os dados do ADC e, portanto, é melhor evitar valores ISO ​​​​obtidos dessa maneira, enquanto os valores ISO \uXNUMXb\uXNUMXobtidos dividindo os dados do ADC, têm um nível de ruído menor.

            Abaixo está uma tabela obtida usando o firmware ML para a câmera Canon 60D, para outras câmeras essas informações serão semelhantes ou muito semelhantes e todos podem realizar este estudo por conta própria.

            A primeira coluna é o valor ISO definido pelo usuário na câmera.
            A segunda coluna é o valor ISO “honesto” obtido pelo ganho analógico.
            A terceira coluna é o fator de multiplicação, se for “+”, ou o fator de divisão, se for “-“, que o processador da câmera aplica aos dados recebidos do ADC. Em outras palavras, esta é a mudança ISO “digital”.

            Se analisarmos os dados, podemos tirar algumas conclusões.

            1. O valor ISO máximo “honesto” para esta câmera é 3200 (para outras, principalmente para FF, verifique você mesmo), valores acima desse valor são obtidos por software e possuem um nível de ruído superestimado. Em outras palavras, se para qualquer finalidade você precisar de um valor ISO superior a 3200, faz sentido não aumentá-lo na câmera, mas fotografar com um valor de 3200 e, durante o processamento adicional em um computador, aumentar o brilho para o necessário, o que pode ser feito com mais precisão e com menos ruídos.

            2. Valores ISO com “+” na terceira coluna também devem ser evitados para não ter um nível de ruído aumentado, mas se forem necessários, fotografe um quadro com um valor ISO anterior um pouco menor e traga a exposição ao necessário durante o processamento. Por exemplo, é melhor escolher 200, não 250.

            3. Valores ISO com “-” na terceira coluna possuem um nível de ruído menor e podem ser usados ​​quando um valor ISO maior é necessário, mas existe o medo de aumentar o ruído. Por exemplo, se você precisar de ISO 400, poderá definir 320, não muito menos que 400, mas haverá menos ruído. Da mesma forma, é melhor preferir 640 a 800. Bem, é melhor escolher 2500 como limite ISO, não 3200.

            100 100 0
            125 100 +0.3EV
            160 200 -0.3EV
            200 200 0
            250 200 +0.3EV
            320 400 -0.3EV
            400 400 0
            500 400 +0.3EV
            640 800 -0.3EV
            800 800 0
            1000 800 +0.3EV
            1250 1600 -0.3EV
            1600 1600 0
            2000 1600 +0.3EV
            2500 3200 -0.3EV
            3200 3200 0
            4000 3200 +0.3EV
            5000 3200 +0.6EV
            6400 3200 +1EV
            12800 3200 +2EV

            2 Part.

            Na primeira parte, o mecanismo de alteração do ISO foi considerado em condições normais, mais precisamente, com o modo de prioridade de tom de destaque desligado.

            Se você ativá-lo, alterar o ISO é completamente diferente. Abaixo estão os resultados do estudo desta questão usando a Canon 60D como exemplo.

            A primeira coluna é o valor ISO definido pelo usuário na câmera.
            A segunda coluna é o valor ISO “honesto” obtido pelo ganho analógico.
            A terceira coluna é o fator de multiplicação, se for “+”, ou o fator de divisão, se for “-“, que o processador da câmera aplica aos dados recebidos do ADC. Em outras palavras, esta é a mudança ISO “digital”.

            200 100 +1EV
            250 100 +1.3EV
            320 200 +0.6EV
            400 200 +1EV
            500 200 +1.3EV
            640 400 +0.6EV
            800 400 +1EV
            1000 400 +1.3EV
            1250 800 +0.6EV
            1600 800 +1EV
            2000 800 +1.3EV
            2500 1600 +0.6EV
            3200 1600 +1EV
            4000 1600 +1.3EV
            5000 3200 +0.6EV
            6400 3200 +1EV
            12800 3200 +2EV

            Depois de analisar esses dados, podemos chegar a uma conclusão muito decepcionante - no modo de prioridade de tom de destaque, o ISO é aumentado programaticamente em todos os casos, enquanto, é claro, o ruído também aumenta, o que, no entanto, foi mencionado vagamente nas instruções da câmera manual. É importante entender que esse aumento de ISO e aumento de ruído afeta o que será salvo no arquivo RAW! Assim, uma simples conclusão pode ser tirada - o modo de prioridade de tom de destaque não deve ser ativado em nenhuma circunstância!

            • Pokémon

              Obrigado, curioso!

        • Iskander

          Então escreva para todos, aqui todos estão interessados ​​na verdade, e nada além da verdade, e especialmente de acordo com a Canon, então dei os resultados do meu experimento abaixo.

    • Sergei

      Eu uso Nikon d80.
      Eu faco uma pergunta. Ao fotografar em condições de pouca luz (digamos ao entardecer, com abertura f / 3.5), o que é melhor em termos de qualidade?
      1. Subexponha a foto, deixe o ISO em valores extremamente baixos. E então, no editor, faça compensação de exposição enquanto luta com todo tipo de ruído, etc.
      2. Execute a compensação de exposição diretamente na câmera. Novamente, tente remover o ruído resultante no editor.

      • Maxxx

        Faça um experimento semelhante. Não é difícil. As perguntas vão desaparecer. Faça -5EV.
        Eu fiz isso no d610 há três anos. E agora eu acidentalmente encontrei este artigo ...

      • Michael

        dependendo de onde levantar. em geral, melhor na câmera - a imagem ficará um pouco mais limpa

      • Iskander

        Eu também estava interessado nessa questão, então realizei um experimento na Canon 100D. Primeiro, gravei uma cena em RAW em ISO 1600 com exposição normal, depois em 800, 400, 200, 100, sem alterar a velocidade do obturador e a abertura. O cancelamento de ruído da câmara foi ativado. Então, em seu desenvolvedor nativo da Canon, DPP abriu as fotos em 1600 e em 400. A foto subexposta em ISO 400 foi puxada pelo controle deslizante de brilho (seu alcance em DPP + - 2 stops), como o de ISO 1600. O ruído em ISO 400 acabou sendo um pouco mais forte do que em 1600! Percebi também que os controles deslizantes de redução de ruído em diferentes fotos estão em posições diferentes, ou seja, a redução de ruído na câmera em ISOs altos funciona de forma mais agressiva. Quando a redução de ruído foi girada para zero, um horror silencioso acabou - ruído e pixels quentes surgiram.
        Por que eu escolhi a ISO 400? Porque neste modelo, “nativo”, os ISOs ideais são de 100 a 400, então há uma forte perda de DD e ruídos.
        Há duas conclusões: 1) Fotografe na exposição correta. 2) A redução de ruído intra-câmara é boa. Se isso for ruim, você sempre pode desativá-lo no desenvolvedor.
        Eu gostaria de realizar um experimento semelhante com superexposição, pois há uma opinião de que os ruídos são menos perceptíveis durante a superexposição.

        • Iskander

          Realizei um experimento semelhante, mas com um aumento no ISO, com superexposição. Comecei com ISO 400, depois 800, depois 1600 com a mesma velocidade do obturador e abertura, redução de ruído ativada. Comparei 400 com 1600, diminuindo a exposição do último com o controle deslizante de “brilho” no DPP. O nível de ruído é quase o mesmo, mas surgiu uma tonalidade rosa nas áreas claras, que não é removida ajustando o equilíbrio de branco, e uma tonalidade roxa apareceu nas escuras.
          Em geral, minha opinião é que os japoneses dançam essas danças com um pandeiro há muito tempo.

        • Alexey

          Para referência, o supressor de ruído na câmara está no kenon, no nikon e no sony - ele não pode ser desligado em princípio. E o fato de supostamente poder ser desligado no menu, digamos, é um pouco de astúcia. Na realidade, os coeficientes de redução de ruído mudam um pouco :) E sim, a imagem é gravada em RAW após a redução de ruído. É impossível obtê-lo em sua forma virgem.

          • Iskander

            Concordo que mesmo a redução de ruído desligada ainda esmaga tanto RAW quanto Jpeg, mas dentro de pequenos limites, por assim dizer, por padrão, e nada pode ser feito a respeito. Mas o que está acima do padrão pode ser redefinido no desenvolvedor DPP nativo. Ou correto.
            Quem tem outros desenvolvedores que permitem aumentar a exposição em mais de 2 paradas - experimente e cancele a inscrição, por favor.

            • Michael

              O mesmo acontecerá. Na câmera um pouco melhor, em uma ravina alongada - um pouco pior.

            • Alexey

              Leia acima, escreveu sobre a mudança de ISO.

    • Morte_Chateada

      Olá mireashniki, a propósito
      embora eu esteja com TI, não com RTS, mas é bom ver meu pântano nativo aqui
      obrigado pelo comentário, foi interessante ler

  • Oleg

    Eu acho que é uma questão de algoritmos de processamento e tudo mais. Cada pixel dará uma voltagem diferente. Em ISOs baixos, luz suficiente entra na matriz e os algoritmos produzem a tensão normal. Quando a luz diminui, muitos pixels cedem e, em seguida, o ruído aumenta através do algoritmo de adição. Isso equivale ao fato de que se a imagem for reduzida bilinearmente, bicubicamente em tamanho, ela se tornará melhor em qualidade. E agora tente ampliar a imagem, aqui está a conclusão. Como alguém sabe que a gravação ocorre não um instantâneo, mas 10 de uma só vez, mas 1 na saída.
    E é lógico que quanto melhor o processador, melhor a imagem. O que a tecnologia de fabricação de matrizes pensa da mesma forma.

    • Oleg

      A partir daí, subtração de quadros pretos e média de 10 fotos em chdk

    • Michael

      A partir daí, que o obturador clique uma vez e que exista. O obturador eletrônico dará um obturador de rolamento. Global ainda não foi feito.

  • Marcar

    Quão relevante é isso hoje?
    Ou ainda não é tão simples e é hora de parar de “puxar” a exposição do meu pentax k10d?

    • Michael

      Woz ainda está lá

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